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CA 02553860 2014-01-30
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Canal de refroidissement ménagé dans une paroi
L'invention a pour objet un procédé pour ménager un canal de
refroidissement dans une paroi, une électrode utilisée pour la mise en oeuvre
de ce procédé, un élément de paroi dans lequel est ménagé un canal de
refroidissement et une aube creuse de turbomachine comprenant un élément
de paroi de ce type.
Plus précisément, l'invention concerne un élément de paroi du type
comprenant une surface intérieure et une surface extérieure, cette surface
extérieure étant susceptible d'être refroidie par de l'air frais circulant
dans
ledit canal de refroidissement. En outre, le canal de refroidissement est du
type comprenant un perçage et une partie de diffusion, le perçage
débouchant d'un côté sur la surface intérieure de la paroi et, de l'autre
côté,
sensiblement au fond de la partie de diffusion en formant un orifice, et la
partie de diffusion s'évasant à partir de cet orifice et débouchant sur la
surface extérieure de la paroi.
Le document US 6,183,199 Bi, montre un exemple d'élément de paroi
d'aube creuse de turbine de turboréacteur, traversé par un canal de
refroidissement du type précité. Dans cet exemple, le perçage du canal et la
partie de diffusion sont réalisés par électroérosion en une seule étape, à
l'aide
d'une unique électrode dont le bout présente une partie avant de forme
correspondant à celle du perçage et une partie arrière de forme
correspondant à celle de la partie de diffusion du canal.
Une électrode de ce type est décrite et représentée dans le document
US 4,197,443 auquel il est fait référence dans le document US 6,183,199 Bi.
Comme on peut le constater, la forme de cette électrode est particulièrement
complexe. En outre, de manière générale, ménager un canal par
électroérosion selon les procédés connus reste une opération longue et
coûteuse.
L'invention a donc pour but de proposer une alternative aux procédés
connus, offrant la possibilité de ménager un canal de refroidissement du type
précité, plus rapidement et à moindre coût.
Pour atteindre ce but, l'invention a pour objet un procédé caractérisé en
ce qu'on perce ladite paroi pour réaliser ledit perçage et en ce qu'on forme
une empreinte dans ladite paroi pour réaliser ladite partie de diffusion,
selon
deux étapes distinctes.
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Selon le procédé de l'invention, il est donc possible d'employer des
techniques et des matériels différents pour réaliser le perçage et la partie
de
diffusion.
Pour réaliser le perçage, on peut percer la paroi par électroérosion ou à
l'aide d'un laser.
Avantageusement, on utilise les techniques connues de perçage au
laser, ces techniques étant beaucoup plus rapides et économiques que les
techniques d'électroérosion. Ainsi, pour percer au laser une paroi d'aube
creuse de turbine, seuls quelques dixièmes de seconde sont généralement
nécessaires.
Si on souhaite néanmoins réaliser le perçage et la partie de diffusion
par électroérosion, on emploie deux électrodes différentes pour chacune de
ces parties. Ces électrodes ont une forme plus simple que celle des électrodes
utilisées jusqu'à présent, elles sont donc plus faciles et plus économiques à
fabriquer. Par exemple, pour réaliser le perçage, on peut utiliser une
électrode cylindrique.
Selon un autre aspect de l'invention, pour réaliser la partie de diffusion,
on utilise une électrode caractérisée en ce que le bout de cette électrode a
la
forme d'un cône dont l'extrémité est arrondie et dont la surface conique
latérale présente un méplat, l'axe du cône ne traversant pas ledit méplat.
La forme d'électrode précitée permet, d'une part, de ne pas créer
d'angle vif au fond de la partie de diffusion, les angles vifs constituant
généralement des zones de départ de criques (fissures).
D'autre part, cette forme d'électrode et ses dimensions par rapport au
perçage permettent de ménager une partie de diffusion de géométrie
suffisamment large et évasée pour que, compte tenu des tolérances de
réalisation du perçage et de la partie de diffusion, quelle que soit la
position
relative du perçage par rapport à la partie de diffusion, cette dernière
assure
une bonne diffusion (i.e. un bon guidage et un bon élargissement) du flux
d'air sortant du perçage.
L'invention a également pour objet un élément de paroi dans lequel est
ménagé un nouveau type de canal de refroidissement. Un tel canal peut être
obtenu à l'aide du procédé et de l'électrode selon l'invention.
Ce canal se caractérise en ce qu'il comprend une partie de diffusion
avec un fond avant sensiblement plat, incliné dans l'épaisseur de la paroi,
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s'étendant à l'avant de l'orifice dans le sens d'écoulement de l'air frais, et
une
bordure s'étendant à l'arrière, sur les côtés et à l'avant de l'orifice, cette
bordure rejoignant les côtés du fond avant.
Avantageusement, l'angle formé entre la bordure et le fond avant dans
un plan perpendiculaire au fond avant n'est pas "vif' en ce sens qu'il est
strictement supérieur à 900. On évite ainsi de créer des zones de départ de
criques.
Enfin, l'invention a pour objet une aube creuse de turbine à gaz
comprenant un élément de paroi du type précité.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la
description détaillée qui suit. Cette description fait référence aux figures
annexées, sur lesquelles :
- la figure 1 est une section d'un exemple d'élément de paroi selon
l'invention comprenant un canal de refroidissement ;
- la figure 2 est une vue en perspective du bout de l'électrode utilisée
pour réaliser la partie de diffusion du canal de la figure 1;
- la figure 3 est une vue de dessus du canal de la figure 1, selon la
direction III orthogonale à la surface extérieure de la paroi ;
- la figure 4 est une vue du canal de la figure 1 selon la direction IV,
c'est-à-dire suivant l'axe du perçage du canal ;
- la figure 5 est une coupe selon le plan V-V de la figure 3.
En référence aux figures 1, 3, 4 et 5, nous allons décrire un exemple
d'élément de paroi selon l'invention.
Ledit élément de paroi présente une surface intérieure 3 et une surface
extérieure 5. Cet élément appartient à une paroi 1 d'aube creuse de turbine à
gaz, comme une aube de turbine, de type haute pression, de turboréacteur.
Ce type d'aube creuse comprend un passage de refroidissement interne 4,
délimité en partie par la surface intérieure 3, ce passage étant alimenté en
air
frais.
La surface extérieure 5 de la paroi IL est, quant à elle, soumise aux gaz
chauds traversant la turbine et doit donc être refroidie. Dans ce but, des
canaux de refroidissement sont prévus dans la paroi 1. Au moins une partie
de ces canaux est du type du canal 6 représenté sur la figure 1. Ce canal 6
est traversé par l'air frais en provenance du passage de refroidissement
interne 4 de l'aube, et délivre cet air frais au niveau de la surface
extérieure 5
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pour la refroidir. Le canal 6 est en deux parties : une partie de réglage
formée par un perçage 7 et une partie de diffusion 9 formée par une
empreinte ménagée dans la paroi 1 au niveau de la surface extérieure 5.
On parle de partie de réglage, car la section minimum du perçage 7
permet de régler le débit d'air traversant le canal 6. Avantageusement, le
perçage 7 est de forme simple. Dans l'exemple représenté, le perçage 7
s'inscrit dans un cylindre de révolution. En outre, l'axe B du perçage 7 est
incliné d'un angle G, par rapport à la surface extérieure 5 (ou si cette
surface
5 n'est pas plane, la tangente à celle-ci au niveau de l'axe B). L'angle G est
inférieur à 900 et, de préférence, compris entre 15 et 80 , afin de rabattre
le
flux d'air F vers la surface extérieure 5 de sorte qu'il reste le plus près
possible celle-ci. En d'autres termes, on cherche à rendre les vecteurs
vitesse
du flux d'air F à la sortie du canal 6, les plus parallèles possibles au plan
de la
surface extérieure 5.
Pour rabattre encore le flux d'air F vers la surface extérieure 5 et élargir
ce flux d'air F dans le plan de la surface extérieure 5, le canal 6 présente
une
partie de diffusion 9 surmontant le perçage 7. Cette partie de diffusion 9
s'évase autour de l'orifice 11, par lequel l'air frais sort du perçage 7. Cet
orifice 11 se situe, de préférence, sensiblement au fond de la partie de
diffusion 9, par rapport à la surface extérieure 5. La partie de diffusion 9
comprend, à l'avant de l'orifice, dans le sens d'écoulement du flux F, un fond
avant 13 sensiblement plan, incliné dans l'épaisseur de la paroi d'un angle g
par rapport à la surface extérieure 5. De préférence, l'angle g est compris
entre 2 et 45 et, en tout état de cause, il est inférieur à l'angle G de
sorte
que le flux d'air F, guidé par le fond avant 13, est rabattu vers la surface
extérieure 5.
Le fond avant 13 favorise le rapprochement du flux d'air frais F sortant
du perçage 7, de la surface extérieure 5. Ainsi, ce flux d'air reste en
contact
avec la surface extérieure 5, ce qui permet d'une part de refroidir la surface
5
par échange de chaleur et, d'autre part, de créer un film d'air protecteur sur
cette surface 5 qui maintient à distance les gaz chauds du milieu dans lequel
la paroi 1 est située.
Avantageusement, le contour du fond avant 13 a la forme générale d'un
triangle dont l'un des sommets est tourné vers ledit orifice 11 (voir figures
3
et 4), ce qui permet d'élargir le flux d'air F sortant du perçage 7 et donc de
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refroidir et protéger une plus grande partie de la surface extérieure 5. Bien
entendu, la base opposée audit sommet, est plus large que l'orifice 11, de
manière à élargir le flux d'air F.
A l'arrière, sur les côtés et à l'avant de l'orifice 11 se situe une bordure
5 15. La bordure 15 encercle partiellement l'orifice 11 et rejoint, vers
l'avant,
les côtés du fond avant 13.
Dans l'exemple de la figure 5, les zones de jonction entre la bordure 15
et le fond avant 13 présentent des arêtes 17. L'angle P formé au niveau de
ces arrêtes entre la bordure 15 et le fond avant 13 lui-même, dans un plan
perpendiculaire au fond avant 13, est strictement supérieur à 900 pour ne pas
fragiliser l'élément de paroi 1. L'angle P est mesuré entre la tangente T à la
bordure 15, au niveau de l'arrête 17, et le fond avant 13, comme représenté
sur la figure 5.
Il est également possible de prévoir un arrondi dans chaque zone de
jonction afin d'éviter la présence d'arête. Dans ce cas l'angle P est mesuré
entre la direction générale de la bordure 15 et le fond avant 13.
Dans l'exemple de la figure 1, la partie arrière de la bordure 15 s'évase
vers l'arrière au niveau de l'orifice 11 puis présente une lèvre 12 vers
l'avant
au niveau de la surface extérieure 5. Cette lèvre 12 aide à guider le flux
d'air
frais vers l'avant.
Le fond avant 13 et la bordure 15 s'inscrivent dans un cône 23 dont
l'extrémité 24 est arrondie et dont la surface conique 25 présente un méplat
26. Le fond avant 13 correspond avec ce méplat 26, tandis que la bordure 15,
comme représenté sur les figures 1 et 4, correspond essentiellement, dans sa
partie arrière, avec l'extrémité arrondie 24 du cône 23 et, dans ses parties
latérales et avant, avec les portions de surface conique 25 bordant le méplat
26. Avantageusement, l'axe E du cône 23 et l'axe B du perçage 7 sont
parallèles, l'axe B étant, de préférence, décalé vers la surface extérieure 5,
comme représenté sur la figure 1.
La forme du canal de refroidissement 6 de l'élément de paroi 1 étant
bien comprise, nous allons maintenant décrire un exemple de procédé selon
l'invention, permettant de ménager un canal de ce type.
Selon une première étape du procédé, on perce la paroi 1 au laser. Les
techniques de perçage au laser sont connues de l'homme du métier et
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présentent l'avantage d'être rapides et moins onéreuses que les techniques
d'électroérosion.
Ensuite, selon une deuxième étape, on forme par électroérosion dans la
paroi 1, au niveau de la surface extérieure 5, l'empreinte correspondant à la
partie de diffusion 9. Bien entendu, cette deuxième étape pourrait être
entreprise avant la première étape.
Pour cette deuxième étape, on utilise une électrode 20 du type de celle
représentée sur la figure 2. Le corps de l'électrode 21 est cylindrique tandis
que le bout 22 de l'électrode a la forme d'un cône 23 à l'extrémité 24
arrondie et dont la surface conique latérale 25 présente un méplat 26. Ce
méplat 26 s'étend sur un côté du cône 23, depuis le voisinage de l'extrémité
24 jusqu'à la partie la plus évasée du cône 23 et au-delà. Le méplat 26 n'est
pas traversé par l'axe E du cône 23 : il ne coupe donc pas le sommet de
l'extrémité 24 du cône 23. Le cône 23 est symétrique par rapport à un plan
de symétrie S perpendiculaire au méplat 26 et contenant l'axe E du cône 23.
Les demi-angles d'évasement Y définis entre les bords latéraux 27 du méplat
et le plan S sont compris entre 10 et 30 et, de préférence, sont voisins de
15 .
Comme représenté sur la figure 1, on forme l'empreinte correspondant
à la partie de diffusion 9 par électroérosion, en enfonçant le bout 22 de
l'électrode 20 dans la paroi 1 du côté de la surface extérieure 5, le méplat
26
étant positionné face à cette surface extérieure 5. Avantageusement, lors de
cette opération, on oriente l'axe E du cône 23 de sorte qu'il soit parallèle à
l'axe B du perçage 7, ces axes étant, de préférence, décalés de sorte que
l'axe B soit le plus proche de la paroi 1.
On notera que la présence et l'importance de la lèvre 12 de la bordure
15 (i.e. son avancée vers l'avant) dépendent du rayon de courbure retenu
pour l'extrémité 24 et de la profondeur à laquelle on enfonce l'électrode 20.
De manière générale, lorsqu'on forme l'empreinte, on choisit : la forme
de l'électrode 21, plus particulièrement, la forme du cône 23, le rayon de
courbure de l'extrémité arrondie 24 et la position du méplat 26 (demi-angles
d'évasement Y); le positionnement de l'électrode, plus particulièrement,
l'orientation de l'axe E du cône 23 par rapport à l'axe B du perçage 7 ; et la
profondeur de pénétration de l'électrode 20 dans la paroi 1, de manière à
former à l'avant de l'orifice 11 le fond avant 13 et, à l'arrière et sur les
côtés
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de l'orifice 11, une bordure évasée 15 qui rejoint les côtés du fond avant 13
en formant deux arêtes 17. Ces arêtes sont suffisamment peu vives pour ne
pas créer de zones de fragilisation (voir figure 5).
La présence de la bordure arrière 15 permet de réaliser la partie de
diffusion 9 avec une certaine tolérance vis-à-vis du perçage 7. Ceci est
illustré
sur la figure 4, sur laquelle on a représenté en pointillés diverses positions
relatives de l'orifice 11 par rapport à la partie de diffusion 9. Comme on
peut
le constater, dans tous les cas représentés, l'orifice 11 débouche
intégralement dans la partie de diffusion 9, à un endroit tel que le flux
d'air
frais est guidé par la partie de diffusion 9, ce qui garantit un
refroidissement
correct de la surface extérieure 5. Bien entendu, on obtient la meilleure
diffusion lorsque l'orifice 11 débouche sensiblement au fond de la partie de
diffusion 9, comme représenté en traits pleins.
